NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU
VÀ NĂNG LƯỢNG MỚI TRÊN Ô TÔ Ở VIỆT NAM
STUDY ON ABILITY APPLICATION OF ALTERNATIVE FUELS
AND ENERGIES FOR AUTOMOBILE IN VIETNAM
Hồng Đức Thông, Huỳnh Thanh Công, Hồ Phi Long, Trần Đăng Long,
Trần Quang Tuyên, Nguyễn Ngọc Dũng, Vương Như Long, Nguyễn Khắc Liệu.
Khoa Kỹ Thuật Giao Thông, Đại học Bách Khoa TP. HCM, Việt Nam.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
TÓM TẮT
Ô nhiễm không khí và sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu truyền thống sử dụng cho động cơ đốt trong là hai
vấn đề lớn đang được cả thế giới quan tâm. Hai vấn đề này ngày càng trở nên cấp bách và ngay từ bây
giờ đòi hỏi cả nhân loại phải nghiên cứu và đưa ra các giải pháp hợp lý để giải quyết. Bài báo này
phân tích và đưa ra các loại nhiên liệu và năng lượng có khả năng thay thế cho các loại nhiên liệu
truyền thống và giảm đáng kể các chất gây ô nhiễm do khí thải động cơ sinh ra. Trên cở sở đó phân
tích các thuận lợi, khó khăn của các nhiên liệu thay thế khi ứng dụng trên ô tô ở Việt Nam cùng với
các giải pháp kỹ thuật kèm theo. Bên cạnh đó, bài báo này cũng trình bài một số kết quả đã nghiên cứu
thực nghiệm các tính chất của một số nhiên liệu mới.
ABSTRACT
Air pollution and the exhaustion of fossil fuel used in internal combustion engine are two important
problems which are being concerned by the people in the world. They become more and more urgent
and from now the humanity should research and find out a reasonable solution to them. This paper
investigates, appreciates and shows kinds of alternative fuel and energy which can replace fossil fuel
and decrease pollution from exhaust products of engine. Base on this, the paper analyze the advantage
and disadvantage of alternative fuels and energies when apply for automobile in Vietnam together
with accompanied technique solution. Beside, this paper also shows some results of experimental
research characteristics of some alternative fuels.
1. GIỚI THIỆU
Hiện nay, tất cả các nước trên thế giới, từ các
nước tiên tiến đến các nước đang phát triển và
chậm phát triển đang rất quan tâm đến vấn đề ô
nhiễm không khí và sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu
truyền thống.
Tình hình nguồn nhiên liệu dầu mỏ hiện nay
không ổn định, giá dầu thường thay đổi lớn theo
những biến động chính trị, khó dự báo. Tính từ
năm 1973 đến nay thế giới đã trải qua 5 lần
khủng hoảng giá dầu:
• Lệnh cấm vận dầu Ả Rập năm 1974.
• Lệnh cấm vận dầu Iran năm 1979.
• Chiến tranh Vùng Vịnh 1990.
• Năm 1999 giá dầu từ 8 – 10 USA/thùng
tăng vọt lên trên 30 USD/thùng.
• Đặc biệt năm 2004 một sự khủng hoảng dầu
mỏ lớn nhất từ trước đến nay, giá dầu tăng
đến mức kỷ lục 60 USD/thùng, đến năm
2005 giá dầu lên đến hơn 70 USD/thùng.
Chất lượng không khí hiện nay trên thế giới bị ô
nhiễm đến mức báo động, mà trong đó khí thải
của động cơ đốt trong chính là các tác nhân chủ
yếu gây nên ô nhiễm không khí.
Không khí gọi là ô nhiễm khi thành phần của nó
bị thay đổi hay khi có hiện diện của những chất
lạ gây ra những tác hại mà khoa học chứng minh
được hay gây ra sự khó chịu đối với con người.
Các tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả
động cơ đốt trong có thể làm cho cơ thể bị thiếu
Oxy, nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn, gây viêm,
ho, khó thở và làm hủy hoại các tế bào cơ quan
hô hấp, mất ngủ, gây ra căn bệnh ung thư máu,
gây rối loạn hệ thần kinh, gây ra các bệnh về
gan và làm trẻ em chậm phát triển trí tuệ. Ngoài
ra khí thải động cơ còn làm thay đổi nhiệt độ khí
quyển và ảnh hưởng đến môi trường sinh thái.
Hiện nay giải pháp xử lý ô nhiễm môi trường có
hai cách: Xử lý ô nhiễm với các động cơ đang
sử dụng và tìm kiếm sử dụng các nguồn năng
lượng sạch.
Xử lý ô nhiễm với các động cơ đang được sử
dụng có hai hướng giải quyết: Xử lý bên trong
động cơ như nghiên cứu hoàn thiện quá trình
cháy và hoàn thiện kết cấu động cơ; xử lý bên
ngoài động cơ như: Đốt lại khí xả và lọc khí xả.
Tìm kiếm sử dụng các nguồn năng lượng sạch
(không tạo ra các sản phẩm ô nhiễm, hoặc nếu
có thì với hàm lượng rất nhỏ) như: Nhiên liệu
khí hóa lỏng (LPG), khí thiên nhiên (CNG), cồn,
nhiên liệu có nguồn gốc sinh khối (BIOFUEL),
nhiên liệu Hydro, công nghệ pin nhiên liệu
(FUEL CELL), năng lượng điện, năng lượng
mặt trời. Giải pháp này hiện đang được các nước
tiên tiến quan tâm nghiên cứu.
Những nghiên cứu về nhiên liệu thay thế trên
thế giới sử dụng ở động cơ đốt trong bắt đầu từ
những năm cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX.
Ngày nay, một số dạng năng lượng và nhiên liệu
thay thế đã được sử dụng thực tế tại một số nước
trên thế giới. Việc tìm kiếm các loại nhiên liệu,
năng lượng sạch không những giải quyết được
vần đề ô nhiễm không khí mà còn có thể chủ
động được các nguồn nhiên liệu, hạn chế sự phụ
thuộc vào các biến động trên thế giới.
2. KHÍ HÓA LỎNG LPG (Liquefied
Petrolium Gas), KHÍ THIÊN NHIÊN NÉN
CNG (Compressed Natural Gas)
Thành phần hóa học chủ yếu của LPG là Propan
(C3H8) và Butan (C4H10), thành phần hóa học
của CNG chủ yếu là Metan (CH4) và các
Hydrocacbon khác như là Etan, Propan . . .
Bảng 2.1: Một số tính chất của LPG và CNG.
CNG LPG
Metan Propan Butan
Công thức hóa học CH4 C
3H8 C
4H10
K. lượng phân tử 16 44 58
K. lượng riêng (kg/l) 0,51 0,58
Nhiệt độ sôi (0C) – 162 – 43,7 – 0,9
Nhiệt trị thấp
(MJ/kg)
50,0 46,40 45,46
Nhiệt độ bốc cháy (0C) 540 510 490
Chỉ số Octan 120 97 – 112
Tỷ số A/F
(kg KK/kg NL)
17,23 15,45 – 15,67
2.1 Thuận lợi của LPG và CNG
• Nguồn cung cấp ổn định.
• Chi phí sản xuất nhiên liệu LPG thấp hơn
so với xăng và diesel, chi phí sản xuất khí
thiên nhiên CNG cao hơn diesel nhưng vẫn
thấp hơn xăng,
• Chi phí sử dụng của các nhiên liệu khí
thấp.
• Ít ô nhiễm môi trường.
• Hiệu suất nhiệt của LPG và CNG cao.
• An toàn trong sử dụng.
• Tuổi thọ động cơ cao.
• Giảm được lượng xăng dầu nhập khẩu,
giảm ảnh hưởng của sự biến động trên thị
trường quốc tế, chủ động nhiên liệu.
2.2 Khó khăn của LPG và CNG
• Bình chứa LPG và CNG phải dày, đủ bền,
trọng lượng nhỏ, thể tích lớn, yêu cầu kỹ
thuật khắt khe.
• Các động cơ đốt trong hiện nay không phát
huy hết các tính năng của LPG và CNG.
• Khi chuyển đổi, cải tạo các hệ thống trên
xe có thể làm thay đổi về bố trí chung, các
tính năng động lực học, ổn định của xe . . .
• Cơ sở hạ tầng, vấn đề vận chuyển, phân
phối LPC và CNG chưa có.
• Thói quen sử dụng nhiên liệu mới và ý
thức bảo vệ môi trường chung còn hạn chế.
2.3 Nghiên cứu động cơ sử dụng nhiên liệu
khí hóa lỏng LPG/CNG
LPG và CNG có thể sử dụng trên xăng và diesel,
có thể sử dụng độc lập hay hỗn hợp đa nhiên
liệu.
Hệ thống nhiên liệu LPG đơn: Xe cải tạo
tháo bỏ toàn bộ hệ thống nhiên liệu cũ và
lắp đặt toàn bộ hệ thống nhiên liệu
LPG/CNG mới. Phương án này thường
được thực hiện tại nhà máy sản xuất, lắp
ráp ôtô, cho phép hạ giá thành chế tạo,
thích hợp cho xe đường ngắn như taxi, xe
buýt . . .
Ưu điểm: Kết cấu và vận hành đơn giản,
việc bố trí, lắp đặt lên động cơ dễ dàng, và
có thể tối ưu hóa hệ thống nhiên liệu,
không ảnh hưởng nhiều đến khả năng động
lực học, ổn định của xe.
Khuyết điểm: không thể sử dụng nhiên liệu
cũ, khó khăn ở khâu tiếp nhiên liệu do các
trạm tiếp nhiên liệu LPG/CNG còn rất hạn
chế.
Hệ Thống nhiên liệu sử dụng cả hai loại
xăng vừa LPG/CNG. Phương án này thích
hợp cho giai đoạn đầu, khi thói quen sử
dụng LPG/CNG cho ôtô chưa phổ biến.
Ưu điểm: Chạy cùng lúc hai loại nhiên
liệu, khắc phục được tình trạng tiếp nhiên
liệu LPG/CNG và có thôi đường dài hơn.
Khuyết điểm: Cấu tạo xe và vận hành, bảo
trì, bảo dưỡng xe trở nên phức tạp, rất khó
khăn trong việc lắp đặt bố trí trên xe, giá
thành tăng, phải tính toán lại động lực học,
tải trọng, trọng tâm, ổn định của xe. Tải
trọng chuyên chở và thể tích sử dụng của
xe giảm. Khi xe bị tai nạn, xăng sẽ dễ dàng
tràn ra khỏi bình chứa nhiên liệu và bốc
cháy.
2.4 Cải tạo động cơ đốt trong sang sử dụng
nhiên liệu LPG/CNG
• Lắp hệ thống nhiên liệu LPG/CNG.
• Giữ nguyên hệ thống đánh lửa đối vơi
động cơ xăng, thay vòi phun bằng bugi đối
với động cơ diesel.
• Tăng tỷ số nén đối với động cơ xăng và
giảm tỷ số nén đối với động cơ diesel.
• Đối với động cơ xăng sử dụng hệ thống hai
nhiên liệu song song có thêm các van để
chuyển đổi nhiên liệu muốn sử dụng và có
thể sử dụng cùng lúc cả hai nhiên liệu cho
động cơ.
• CNG có chỉ số Octan cao hơn LPG nên tỷ
số nén trong động cơ CNG sẽ lớn hơn
động cơ LPG để tăng hiệu suất nhiệt động.
Mặc khác CNG còn có tỷ số A/F cao hơn
LPG.
2.5 Các phương án tạo hòa khí nhiên liệu khí
hóa lỏng LPG/CNG
• Khuếch tán LPG/CNG hay hiệu ứng
Venturi.
• Phun LPG/CNG ở trạng thái khí.
• Phun LPG ở trạng thái lỏng.
2.6 Bộ giảm áp - hóa hơi LPG/CNG
Hình 2.1: Bộ giảm áp - hóa hơi LPG/CNG.
1_ Họng nạp, 2_ Miệng vào van giảm áp, 3_
Van giảm áp, 4_ Cử tỳ, 5_ Màng cao su, 6_
Miệng vào van định lượng, 7_ Van định lượng,
8_ Lò xo van định lượng, 9_ Màng cao su, 10_
Vít điều chỉnh, 11_ Đòn bẩy.
2.7 Bộ trộn nhiện liệu LPG/CNG
Hình 2.2: Bộ trộn nhiên liệu LPG.
1_ Đường ống nạp LPG, 2_ Vít điều chỉnh
lượng nhiên liệu LPG, 3_ Đường thông áp chân
không, 4_ Họng gió, 5_ Màng áp thấp, 6_ Lò xo
ép màng áp thấp, 7_ Ống áp thấp, 8_ Vít điều
chỉnh gió.
2.8 Sơ đồ hệ thống LPG/CNG - xăng song
song trên xe du lịch dùng bộ chế hòa khí
Hình 2.3: Sơ đồ bố trí hệ thống nhiên liệu
LPG/CNG - xăng song song sử dụng chế hòa
khí.
1_ Miệng nạp LPG, 2_ Đồng hồ LPG, 3_ Bình
chứa LPG, 4_ Bình xăng, 5_ Miệng nạp xăng,
6_ Bơm xăng, 7_ Khóa xăng, 8_ Bộ chế hòa khí,
9_ Bộ trộn, 10_ Van điện từ, 11_ Bộ giảm áp
hóa hơi, 12_ Đồng hồ báo LPG, 13_ Công tắc
chuyển đổi nhiên liệu LPG - xăng.
2.9 Sơ đồ hệ thống LPG - xăng song song trên
xe du lịch phun xăng điện tử
Hình 2.4: Sơ đồ bố trí hệ thống nhiên liệu phun
LPG - xăng song song (Multipoint Injection).
1_ Miệng nạp LPG, 2_Công tắc chuyển đổi
nhiên liệu xăng - LPG, 3_ Bộ định tỷ lệ điều áp,
4_ Van điện từ LPG, 5_ Bộ giảm áp hóa hơi, 6_
CPU xăng, 7, 8_ Hệ thống nạp nhiên liệu, 9_
Vòi phun,
10_ Đồng hồ LPG, 11_ Miệng nạp xăng, 12_
Bình chứa xăng, 13_ Bình chứa LPG.
2.10 Mô hình trạm cung cấp nhiên liệu
LPG/CNG
Việc tổ chức cung cấp nhiên liệu khí hóa lỏng
LPG/CNG có thể bằng đường ống hay ô tô
chuyên dùng.
Trong điều kiện hiện nay ở nước ta, với sức tiêu
thụ chưa cao, sử dụng phương dùng ống là
không khả thi vì không thể đầu tư xây dựng các
đường ống dẫn dầu. Do đó, chúng ta chỉ có thể
sử dụng phương án vận chuyển nhiên liệu
LPG/CNG bằng xe chuyên dùng (xe bồn
LPG/CNG) đến các trạm phân phối hay đại lý
cung cấp LPG/CNG.
Trạm cung cấp nhiên liệu LPG/CNG gồm có:
Trạm cung cấp nhiên liệu LPG/CNG cố định đặt
ngầm, cố định đặt nổi và trạm cung cấp nhiên
liệu LPG/CNG di động.
3. NHIÊN LIỆU CỒN
Cồn có hai loại chính dùng làm nhiên liệu cho
động cơ đốt trong là cồn Metanol (CH3OH) và
cồn Etanol (C2H5OH). Etanol giống như
Methanol nhưng nó sạch hơn nhiều, ít chất độc
và ít chất ăn mòn.
3.1 Đặc tính của nhiên liệu cồn
Bảng 3.1: Các tính chất của nhiên liệu cồn.
Metanol Etanol
Công thức phân tử CH3OH C2H5OH
K. lượng phân tử 32 46
K. lượng riêng (kg/l) 0,792 0,785
Nhiệt trị thấp (kJ/kg) 20000 26900
A/F (kgKK/kgNL) 6,47 9,00
Chỉ số Octan:
* R
* M
108,7
88,6
108,6
89,7
3.2 Ưu điểm của nhiên liệu cồn
• Cồn có chỉ số Octan cao hơn xăng, cháy
sạch hơn, phát thải ít CO hơn và giảm đáng
kể lượng muội than, SOx, chất PM.
• Cồn có nhiệt ẩn hóa hơi cao nên có hiện
tượng làm mát bên trong và điều này cho
phép xylanh nạp đầy hơn.
• Cồn có thể sản xuất cồn bằng các công nghệ
sản xuất hiện nay.
• Không cần thay đổi nhiều kết cấu của
phương tiện khi dùng nhiên liệu cồn.
• Động cơ xăng khi sử dụng hỗn hợp xăng _
cồn với hàm lượng nhỏ hơn 20%, thì không
cần thiết cải tạo lại động cơ cũ.
• Cồn có thể sử dụng làm nhiên liệu chủ yếu
trong động cơ kết hợp với phun 10% nhiên
liệu diesel. Mức độ phát thải ô nhiểm NOx,
HC và các chất phát ô nhiễm giảm đáng kể
khi dùng nhiên liệu diesel pha cồn.
3.3 Khuyết điểm của nhiên liệu cồn
• Cồn có chứa axít axêtic gây ăn mòn kim
loại, ăn mòn các chi tiết máy động cơ làm
giảm thời gian sử dụng động cơ.
• Nhiệt trị cồn thấp, thùng nhiên liệu lớn.
• Đầu tư ban đầu cao.
• Ngọn lửa của nhiên liệu cồn cháy không có
màu, điều này sẽ gây khó khăn trong việc
nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu
cồn.
• Các độc chất tiềm ẩn trong nhiên liệu cồn
vẫn đang trong quá trình nghiên cứu.
3.4 Nghiên cứu động cơ sử dụng ên liệu cồn
Khả năng ứng dụng của nhiên liệu cồn trong
động cơ đốt trong có các phương án sau:
Sử dụng nhiên liệu cồn thuần túy thay thế
xăng và diesel, khả năng này khó thực hiện
vì cồn có tính ăn mòn kim loại và suất tiêu
hao nhiên liệu tăng do nhiệt trị thấp của cồn
thấp hơn nhiều so với xăng và diesel.
Sử dụng hỗn hợp trộn lẫn giữa diesel pha
cồn Etanol thành hỗn hợp diesohol. Có thể
trộn lẫn trực tiếp cồn và diesel hoặc cồn (và
nước) được phun vào trên đường nạp cùng
với không khí trước bộ tăng áp (turbo-
charger), sau đó, hỗn hợp này hòa trộn với
diesel trong buồng cháy. Lượng nhiên liệu
cồn phun vào trong đường nạp có ý nghĩa
rất quan trọng trong việc vận hành êm dịu
của động cơ, đặc biệt khi lượng đáng kể cồn
được phun vào. Trường hợp này có tính khả
thi vì tăng công suất động cơ, đặc biệt giảm
được mức độ ô nhiễm môi trường.
Sử dụng xăng trộn lẫn Metanol pha thành
hỗn hợp gasohol, đây là phương án có nhiều
khả thi nhất. Có thể trộn lẫn trực tiếp cồn và
xãng hoặc nhiên liệu cồn được lưu trữ trong
một bình riêng. Nhiên liệu này được bơm
lên van phân phối (điều khiển bằng chân
không) tại họng nạp để phun vào trong dòng
khí nạp. Hỗn hợp này sau đó được hòa trộn
với xăng khi vào trong bộ chế hòa khí và
được điều khiển bằng bướm ga. Loại hòa
trộn này có thể tăng công suất của động cơ
cao so với loại hòa trộn chung xăng và cồn
thành một loạI nhiên liệu trước khi đưa vào
trong bộ chế hòa khí.
3.5 Khảo sát các tính chất của hỗn hợp nhiên
liệu xăng pha cồn trên ô tô
Theo kết quả thực nghiệm khảo sát và chạy thử
nghiệm tại phòng thí nghiệm động cơ đốt trong,
bộ môn Ô tô - Máy động lực, khoa Kỹ Thuật
Giao Thông, trường ĐH Bách Khoa TP. HCM.
Bộ đo lượng nhiên liệu tiêu thụ AVL 733S.
Bộ đo nồng độ khí thải: AVL Digas 4000.
Nhiên liệu thử nghiệm 90% xăng + 10%
cồn 95% và 90% xăng + 10% cồn 95,5%
Động cơ thử nghiệm:
Nhãn hiệu: DAEWOO
Dạng: 2.0 SOHC
Công suất cực đại
danh định kW/(v/p): 100/5400
Moment xoắn cực đại
danh định (kg.m)/(v/p): 16,2/3200
3.6 Biểu đồ đường đặc tính môment của các
loại nhiện liệu ở chế độ 50% tảI
Đường đặc tính môment động cơ đạt được khi
sử dụng hỗn hợp nhiên liệu 90% xăng + 10%
cồn (99,5 hoặc 95) gần giống như khi sử dụng
loại nhiên liệu xăng, chênh lệch nhau tối đa
không quá 5% tùy thuộc vào số vòng quay động
cơ.
Hình 3.1: Biểu đồ môment động cơ (chế độ 50%
tải) ứng với các loại nhiên liệu khác nhau.
Khi sử dụng nhiên liệu xăng thì cho môment lớn
hơn so với khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng